黄冬平

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海200092)

引言

随着陆上风电的发展，作为风机塔筒和基础连接的一种方式，锚栓在风机基础中的运用也越来越普遍。除重力式基础和桩基础外，锚栓(或其他预应力部件)也常用于其他基础形式中，如P&H基础[1]。P&H基础为大直径单墩式基础，由美国Patrick和Henderson教授发明并推广应用，故简称P&H基础。由于各方面原因，风机基础在其建设的各阶段都可能出现相关质量问题。文献[2-4]对常规基础中的常见质量问题进行了分析，并提出了相应的处理措施。P&H基础作为一种相对较新的基础形式，如果选材不当则可能出现锚栓断裂的质量问题[5，6]。本文以某风电场风机的P&H基础锚栓断裂为例，介绍了针对该基础形式的加固方案。

1 工程概况

某风电场项目共安装17台2.75MW机组，轮毂高度为85m。其中16台机组的基础采用了P&H基础，基础和底法兰之间通过φ50的PSB1080精轧钢筋连接。根据现场反馈，发现16台机组中有12台基础出现精轧钢筋断裂的情况，如图1所示。

图1 精轧钢筋断裂Fig.1 Rupture of finish-rolled steel bar

2 原因分析

精轧钢筋在建筑结构、桥梁结构和土石边坡等应用较多，一般为先张法有粘结或后张法后注浆有粘结预应力筋。由于上述结构中的荷载特点与风机基础存在差异，即风机基础所受荷载有着明显的疲劳特征。

自发现精轧钢筋断裂后，经多次检测和分析，结果表明:由于精轧钢筋硫和磷含量不稳定、无低温冲击功要求、材料偏析、表面存在点腐蚀坑及不完全脱碳等因素，决定了其不适合用于风机底法兰和基础的连接。承受疲劳作用的风电预应力锚栓结构其低温冲击功应满足《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》(NB/T 10311—2019)的相关要求，而工程中所采用的精轧钢筋未提供低温冲击功保证值，后经试验得到其-40℃低温冲击功为22J～38J，不满足规范规定要求40J。同时，本工程应用的大直径精轧钢筋(φ50)材料不均匀性更突出，致使由材料问题导致断裂的可能性更大。

3 处理方案

3.1 更换材料

从原因分析可知，精轧钢筋不适用于风机基础底法兰和基础的连接，且风机还将运行15年～20年，故对全部精轧钢筋(含已断裂和未断裂)作更换处理。如更换材料选用风机基础中常用的锚栓，考虑到底节塔筒高度小于所需锚栓长度，且底节塔筒的门洞加强环等突出筒壁(图2)，更换时锚栓无法顺利穿入孔道。

图2 底节塔筒内部Fig.2 Bottom part of the steel tube

预应力钢绞线是预应力混凝土中常用的预应力部件，且钢绞线穿孔方便，故选用钢绞线作为更换材料。选用1860级预应力钢绞线7φs15.2，张拉控制应力取1280MPa，考虑锚具变形及混凝土收缩徐变等导致的总预拉力损失约15%，则钢绞线的有效预拉力为1066kN，与原精轧钢筋设计预拉力1100kN接近。

3.2 更换方案

更换精轧钢筋需进入至基础正下方，将锚固螺母拆除。由于基础筒内部上下端为C40混凝土浇筑、中部为毛石混凝土，难以凿出一个竖向通道，因此需在与主风向垂直方位打竖井至基础底部标高处，然后施工一个水平巷道进入至基础正下方，并在底环正下方形成一个环形作业空间。

在施工时，必须循环对称施工，即同时将相位角相差180°的两个方位精轧钢筋更换为钢绞线，已经断裂的精轧钢筋应优先更换。更换过程如图3所示:1)先松动精轧钢筋，取掉顶部螺母；2)从基础底部取出锚栓，拔出一定长度后截断，直至精轧钢筋全部取出；3)在锚栓孔内穿入牵引钢丝，钢丝顶部与钢绞线端部连接，将钢绞线穿入锚栓孔道内；4)在钢绞线PVC套管内用高压油枪注满防锈油脂，两端分别架设张拉锚具将钢绞线张拉到设计力预拉力，并在夹片与钢绞线端头涂环氧树脂后封闭。

图3 更换过程Fig.3 Replacement the rebar with tendon

3.3 实施过程有限元分析

为确保实施过程的安全性，建立带“竖井-巷道”的基础有限元模型，考察结构的受力状态。模型基于通用有限元分析程序ABAQUS，其中绞线采用T3D2单元模拟，其余部件都采用C3D8R单元模拟，基础和土体之间以及塔筒底法兰和混凝土之间通过接触单元考虑。混凝土和钢材之间的摩擦系数取0.3，混凝土和土之间的摩擦系数根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)取0.4。混凝土和钢筒采用绑定约束形成整体。材料本构关系选取见表1。

表1 材料本构关系Tab.3 Constitutive models for different materials

约束土体侧面边缘的水平位移和土体底面所有方向的位移。有限元模型如图4所示。由于更换过程中机组处于停机状态，此时荷载相对较小，偏保守取机组正常运行对应的荷载施加与基础顶部，弯矩作用平面与竖井位置垂直。正常运行工况对应荷载:竖向力-4876.4kN，水平力1263.21kN，弯矩92992.6kN·m。分析时，首先对钢绞线采用降温法进行张拉，然后对基础施加外荷载。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3.4 分析结果

在正常运行荷载作用下，基础混凝土部分的应力如图5所示。从图5a和图5b中可以看出外围C15混凝土的最大拉应力为1.45MPa，最大压应力为7.31MPa。从图5c和图5d中可以看出内部C40混凝土的最大拉应力为2.37MPa，最大压应力为28.4MPa。从图5e和图5f中可以看出，竖井和环形巷道的最大拉应力为1.32MPa，最大压应力为6.63MPa。分析结果可知，外部的C15混凝土及竖井和环形巷道应力比较小；而内部C40混凝土已经有部分区域进入塑性状态，但这些区域主要在法兰下部，此区域多向受压，实际为C80的高强灌浆。

图5 基础混凝土应力(单位：MPa)Fig.5 Stress of concrete part for foundation(unit:MPa)

在正常运行荷载作用下，基础钢筒和水平巷道钢筒的应力如图6所示。从图6a可以看出基础钢筒最大应力为64MPa，从图6b可以看出水平巷道钢筒的应力为24MPa。分析结果可知，钢筒的应力都较小，处于弹性状态。

图6 钢筒应力(单位：MPa)Fig.6 Stress of steel part for foundation(unit:MPa)

在正常运行荷载作用下，基础的水平位移如图7所示，从中可以看出，最大水平位移为8.2mm。分别提取基础顶部和底部的侧移为7.045mm和-3.22mm，相应倾角为:

图7 基础水平位移(单位：mm)Fig.7 Translation of foundation(unit:mm)

3.5 巷道填充封堵及竖井回填

当一台风机基础精轧钢筋完全更换为钢绞线后，对巷道进行填充封堵施工。环向巷道和水平巷道用不低于MU30的水泥砖/红砖砌筑，水泥砖/红砖砌筑必须全部错缝，水泥砖之间、水泥砖与巷道之间的灰缝必须饱满；水泥砖顶部与巷道之间的空隙用相当于C40混凝土强度的水泥砂浆进行压力注浆。水泥砖砌筑前，在环向巷道的顶部平均分部两根D50PE管，D50PE按间距0.3m，钻一个φ10的圆孔用于输出水泥浆。PE管的端部注浆孔引到竖井里，环向巷道和水平巷道的水泥砖砌筑完毕，进行高压注浆施工。注浆压力小于0.3MPa，并一次性注浆完毕，注浆过程中不能停止。竖井采用原土回填，每层回填厚度300mm，并用电动冲击夯实，压实系数不小于0.95。

4 处理效果

为评估将精轧钢筋更换为钢绞线的效果，对更换后的整机系统频率进行检测，实测频率为0.344Hz，与整机系统频率设计值0.34Hz吻合良好，满足机组的设计要求。该项目从更换为钢绞线后已接近5年，目前机组运行状态良好。

5 结语

精轧钢筋较硬脆的特点决定了其低温冲击功较低且不稳定，因此不适合用于风机底法兰和基础的连接，容易导致其断裂从而影响机组的运行，甚至存在安全隐患。结合实际工程提出了采用预应力钢绞线对其进行更换，施工过程实施有限元分析，保证了施工安全。后续的整机频率实测结果验证了更换方案的有效性。